[論文レビュー] Adaptive Backoff Algorithm for IEEE 802.11 DCF under MPR Wireless Channels

Arun I. B, T. G. Venkatesh|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2013

Wireless Networks and Protocols参考文献 14被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、MPR（マルチパケット受信）チャネルにおける同時送信数に応じて競合ウィンドウサイズを動的に調整する、IEEE 802.11 DCF向けの適応的バックオフアルゴリズムを提案する。複数の送信が検出可能な状況においても、ビジー スロット中でもバックオフカウンタを減少可能にすることで、クロスレイヤー連携や集中制御を必要とせず、スループットを向上させ、MAC層遅延を低減する。本プロトコルは、さまざまなトラフィック負荷下で従来の DCF やしきい値ベースの MPR プロトコルに比べ顕著な性能向上を達成する。

ABSTRACT

As a result of the recent advances in physical (PHY) layer communication techniques, it is possible to receive multiple packets at the receiver concurrently. This capability of a receiver to decode multiple simultaneous transmissions is known as multi-packet reception (MPR). In this paper, we propose a simple Medium Access Control (MAC) protocol for an MPR wireless channel, where we modify the backoff procedure as a function of number of ongoing transmissions in the channel. Our protocol is backward compatible with the IEEE 802.11 DCF protocol. The performance analysis of the proposed protocol is carried out using extensive simulations and it is compared with some of the existing MPR MAC protocols. The proposed mechanism improves the throughput and delay performance of the IEEE 802.11 DCF.

研究の動機と目的

• 従来のIEEE 802.11 DCFがマルチパケット受信（MPR）無線チャネルで非効率である問題に対処すること。特に、衝突モデルがチャネル容量を過小評価している点を改善する。
• 追加のハードウェアや複雑な調整を必要とせず、後方互換性を保ちつつMPR機能を活用する完全分散型MACプロトコルを設計すること。
• 同時送信数に応じてバックオフ動作を適応的に変更することで、飽和および非飽和トラフィック状態におけるスループットの向上とMAC層遅延の低減を実現すること。
• 実際のシミュレーション環境（さまざまなネットワーク負荷およびMPR能力）下で、既存のMPR対応MACプロトコルと比較して本プロトコルの性能を評価すること。

提案手法

• 提案プロトコルは、IEEE 802.11 DCFのバックオフメカニズムを変更し、送信数がしきい値未満である限り、チャネルがビジーと検出されてもバックオフカウンタを減少可能にする。
• バックオフウィンドウサイズは、同時送信数の推定値に応じて動的に調整され、チャネル利用度が低い場合には迅速なアクセスを可能にする。
• プロトコルはMAC層内でのみ動作し、クロスレイヤー依存を回避するとともに、従来の802.11 DCFノードとの後方互換性を維持する。
• バックオフカウンタの凍結または減少を制御するためのしきい値ベースのメカニズムを採用し、衝突回避とチャネル利用度のバランスを最適化するために、しきい値を動的に調整する。
• ステーションが正確に進行中の送信数を推定できるものと仮定し、その推定値をもとに適応的バックオフ意思決定を実施する。
• NS-2を用いた広範なシミュレーションにより、さまざまなネットワーク負荷、MPR能力（K）、競合ウィンドウサイズの下で性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 リアルタイムでの進行中送信数推定に基づく適応的バックオフは、MPR対応IEEE 802.11 DCFにおけるMAC層性能をどのように向上させるか？
• RQ2 飽和および非飽和トラフィック下で、本プロトコルは従来のDCFおよびしきい値ベースのMPRプロトコルに比べ、スループットおよび遅延の面でどの程度優れているか？
• RQ3 MPR能力（K）を変化させた場合、本バックオフメカニズムの遅延およびエネルギー効率にどのような影響が生じるか？
• RQ4 既存のMPR対応方式と比較して、本プロトコルはMAC遅延を低減しつつ、エネルギー効率をどのように維持しているか？

主な発見

• 提案プロトコルは、特にチャネル容量の80％未満の低～中程度のトラフィック負荷下で、しきい値ベースのMPRプロトコルに比べてMAC層遅延を顕著に低減する。
• 正規化された負荷が0.7の状態で、提案プロトコルはしきい値ベースプロトコルよりも優れた遅延性能を示し、MPR能力Kが高い場合にその差が顕著に現れる。
• 非飽和トラフィック下でも、提案プロトコルの送信効率はしきい値ベースプロトコルを上回り、衝突の増加なしにエネルギー効率が向上していることが示された。
• MPR能力Kが増加するに従い、本プロトコルの遅延性能も良好にスケーリングされ、同時に復元可能な同時送信数が増加しても低遅延を維持する。
• しきい値をK−1に設定した場合、衝突回避とバックオフ速度の最適なバランスが達成され、過剰な再送信を伴わず遅延が最小限に抑えられる。
• 本プロトコルは、全テストトラフィック条件において、IEEE 802.11 DCFに比べスループットおよび遅延の両面で優れた性能を示し、MPR機能を効果的に活用できることを実証した。